主被動巧妙結合的多功能光伏幕墻

　　1 研究背景

　　太陽能光伏系統作為建筑可再生能源利用最常用的技術措施已基本被建筑設計師（詞條“建筑設計師”由行業大百科提供）、投資者和使用者所接受，大量的建筑披上了光伏的外衣，在數量增幅的同時，質量呢?評價太陽能建筑一體化設計的優劣，最終要以幕墻各項性能、太陽能系統性能、視覺效果的保證程度、經濟性、可維修更換等綜合性能為標準。

　　光伏構件（詞條“構件”由行業大百科提供）作為幕墻的面板應具有幕墻面板應有的各項安全、節能、美觀等性能，幕墻各項性能主要包括風壓變形性能、空氣滲透性能、雨水滲漏性能、保溫（詞條“保溫”由行業大百科提供）性能、隔聲性能、平面內變形性能、耐沖擊性能、防火性能、防雷性能、防腐（詞條“防腐”由行業大百科提供）性能、節能環保性能、經濟合理性等。通過運用幕墻設計原理、構造形式及對其細節進行優化和完善來保證的。

　　太陽能系統性能，包括光伏構件可接受的最佳太陽輻射（詞條“太陽輻射”由行業大百科提供）量、與建筑結合的一體化程度、電氣安全、最大發電效率等。光伏構件本身就是一個需要專門設計而非定制化的產品，要滿足建筑、結構、電氣、機械甚至暖通、自動化等多專業的要求。構件應與建筑有機結合，不能東拼西湊，且經濟合理;電氣系統應安全可靠、合理匹配容量、注重細節。

　　視覺效果包括整體效果的完整性和局部細節的品質。完美視覺效果的實現，是在符合原建筑設計的構想與要求的前提下，通過幕墻專業的深化設計來完成，深化設計包括材料的精心選擇、局部構造細節的精雕細刻等。

　　完美實現以上要求并非易事，它需要多專業的相互配合，反復論證，互相妥協。因此，成功的光伏建筑一體化項目并不多，由于系統設計不科學不規范，造成的光伏組件高溫、炸裂、強度不足、甚至短路失火等問題常有發生。更不必談如何將光伏發電產生的對自身效率有害的熱有選擇的被建筑暖通利用或者排出室外，如何將光伏構件作為建筑圍護結構有用的一部分為建筑節能做出貢獻。

　　本文為讀者展現一棟將主被動技術巧妙結合的多功能幕墻的應用案例，通過一系列的模擬、實驗和分析研究，在解決以上各項性能的前提下，將建筑所需要的風、光、熱與光伏完美結合。提高光伏發電量的同時降低建筑照明、空調甚至計算機設備能耗。實現在綠色建筑三星級評價基礎上的超低能耗目標。

　　2 項目概況

　　珠海興業新能源產業園研發樓，靈感源自于自然中充滿生機的兩片新葉，圓潤飽滿的曲線賦予建筑萌發向上的力量，命名“GREEN YES”，是興業太陽能旗下一座綜合性辦公樓，具有辦公、會議、實驗室、展示廳、咖啡廳多種功能。

　　GREEN YES位于珠海市高新區科技創新海岸金珠路9號，建筑占地面積2302.72m2，地上總建筑面積22148.38m2，建筑層數為17層(包括3層裙樓（詞條“裙樓”由行業大百科提供）)，建筑高度70.35 m。

　　GREEN YES 設計定位為將獲得綠色建筑中國三星級認證、美國LEED鉑金級認證的一座超低能耗綠色建筑。為滿足相關要求，GREEN YES 共采用了38項綠建技術，針對項目本身進行規劃設計，充分考慮被動技術的應用環境，結合主動技術提高建筑的適用性。如合理利用地下空間，地下水泵房、空調機房使用導光系統，進一步節能;如首層采用與室外風速風向聯動的垂直電動玻璃百葉營造大開敞無空調空間，結合水平通風、垂直通風、商業吊扇、水幕簾降溫系統進一步優化室內熱舒適度;如采用高效變頻冷水機組及優化群控策略;如引進建筑整體調適團隊，協調多種節能系統的耦合關系，進一步提高建筑的整體運營效率等等。

　　在“被動優先、主動優化”的前提下，GREEN YES身披太陽能外衣，建有5大光伏系統，包含了多功能光伏幕墻、整體升降垂直通風光伏采光頂、園林式光伏屋面遮陽、光伏雙玻百葉女兒墻、雙層點式光伏雨篷等構造形式，并創造性的運用微電網和局部直流微網為建筑的數據中心提供電源。

　　本建筑融合多項專利、前沿技術，為觀者打造了一個具有視覺沖擊的太陽能綠色建筑應用案例。5大光伏系統每年為這棟超過2萬m2的大型辦公建筑提供12%以上的光伏能源自給，為建筑提供15萬kWh的綠色電力。光伏系統增量成本靜態回收期≤10年。

　　3 設計理念

　　光伏發電，作為可再生能源利用的一種重要方式，如今已經達到大范圍的應用推廣。光伏建筑一體化，在高密度城區內利用，具有節約土地、原地發電用電、緩解用電高峰矛盾等多種優點。

　　在夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區，合理設計遮陽構件，不但大大降低室內得熱，對節能有重要作用，還是改善建筑室內光環境的重要措施。

　　自然通風促進空氣流通，能顯著提高室內熱舒適性，通過合理的結構設計，提高局部自然風風速，是一項0能耗的被動式技術。

　　遮陽設計目標是遮擋最大化的太陽輻射，光伏組件設計目標是接收最大化的太陽輻射;光伏組件發電有余熱，利用熱壓力的自然通風策略，促進局部通風;通過控制策略，夏季排走熱空氣，提高光伏發電效率，冬季引進熱空氣，為室內采暖（詞條“采暖”由行業大百科提供）;太陽能主動技術應用結合遮陽、通風被動技術，三者相輔相成，這對綠色建筑整體技術的建立及縮減運營成本起到很大的作用。

　　本案的多功能光伏幕墻是太陽能主動技術應用結合遮陽、通風被動技術，三者相輔相成，是主、被動式技術結合的典范，它對節省綠色建筑的運營成本起到很大的作用。

　　多功能光伏幕墻的實施，體現了綠色建筑的設計宗旨。

　　1)、節地：利用有良好受光面又不影響人類活動的建筑屋面或者立面使用光伏發電，在高密度的大城市顯得尤為重要，同時還節省建設電站、送電網的用地;

　　2)節能：光伏系統可原地發電、原地用電，使輸電成本和損耗變得最小;對于夏季用電高峰，光伏系統具有削鋒的作用，多余電量甚至可以上網;

　　3)節材：利用具有發電功能或者具有集熱功能的太陽能電池板和平板集熱器同時作為建筑外圍護結構，節約了常規外圍護面板的費用;光伏系統原地發電原地用電，節省了大量的電力輸送電纜;

　　4)室內環境質量：由于光伏陣列安裝在屋頂和墻壁等外圍護結構上，吸收太陽能，轉化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內空調冷負荷，既節省了能源，又利于保證室內的空氣品質;

　　5)環保：使用一般化石燃料發電導致空氣污染和廢渣污染，光伏系統發電過程中不產生任何污染。

　　4 設計方案

　　本案設計以可再生能源利用為主線，結合夏季遮陽、自然通風兩大被動式技術，利用微電網,搭載UPS技術，為大樓內的數據中心提供持續的電力保障，避免電力忽然中斷帶來的信息損失。

　　本系統安裝168W單晶硅光伏組件共計739塊，總裝機容量124.15kW。該系統為建筑提供南向立面0.7的自遮陽系數。主要以微電網的形式為這座辦公建筑的綠色數據中心提供具有UPS功能的持續電源。為了提高能源利用效率，部分標準辦公室使用局部直流微網。直流微網是通過直流母線接入直流負載，由光伏陣列、儲能系統、能量轉化及管理系統組成。

　　另外，本系統還安裝了11塊PVT組件，17塊光熱組件，共計28塊。日產熱水量共計820L，總裝機容量1.848kW，為騎車上班的員工們提供洗浴熱水，以主動節能帶動行為節能。

　　5 關鍵節點（詞條“節點”由行業大百科提供）設計

　　根據嶺南建筑的設計原理，因地制宜，將光伏發電、深挑檐遮陽、自然通風三者合一的節點設計，是實現上述功能的關鍵。因本項目位于北回歸線以南，地處夏熱冬暖地區，夏季遮陽、自然通風兩大被動式技術對保持室內熱舒適性有重要意義。多功能光伏幕墻所產電能以微電網形式利用，它還具有優異的建筑功能。

　　5.1 夏季通風、冬季采暖

　　首先，關鍵節點的上坡處依次設置穿孔鋁板（詞條“鋁板”由行業大百科提供）、光伏組件，下坡處設置穿孔鋁板，上坡穿孔鋁板內部設置季節通風控制模塊。

　　光伏組件以45°傾斜于立面接受更多的陽光，而如何將光伏發電自升溫導致的建筑額外熱負荷轉化有益動力，是本設計的最大亮點。利用計算機求解描述流體流動、傳熱和傳質的各種守恒控制偏微分方程組，并將各種求解的流動或傳熱現象進行可視化模擬的技術，簡稱CFD。本案憑借CFD技術，對多功能光伏幕墻的關鍵節點進行計算機建模，分析光伏組件背部空腔的空氣流動規律，對鋁板穿孔位置和穿孔率進行優化，實現對自然風的有效利用。

　　通過控制季節通風控制模塊，多功能光伏幕墻在夏季形成外通道，上下穿孔鋁板形成的煙囪效應（詞條“煙囪效應”由行業大百科提供）將光伏組件產生的熱量排至室外，提高組件發電效率的同時防止熱量傳入到室內;在冬季形成的內通道，光伏組件加熱的空氣被引向室內，在發電的同時，為室內提供采暖和一定的新風量;春秋過渡季節以及夜晚，根據需要自助調節，讓建筑自然通風、自由呼吸。

　　5.2 深挑檐遮陽

　　設置遮陽構件可以達到多個目的：一是避免光線直射入室內而造成眩光，引起視覺不舒適;二是避免夏天陽光直射入室內造成室內溫度升高影響室內熱舒適，三是豐富建筑立面的表現形式。

　　從關鍵剖面上可知，多功能光伏幕墻的最大外挑尺寸1450mm，深挑檐距離窗戶底部2930mm，具有有利的遮陽條件。利用Ecotec軟件，分析全年直射陽光的光線，從分析結果可知，深挑檐能有效遮擋3月至9月的正午太陽光進入室內，同時，也不影響10月至次年2月的正午陽光進入室內。

　　東、西、南、北朝向的平均外遮陽系數達到：0.645、0.553、0.659、0.649，本案還采用了具有優良遮陽性能（詞條“遮陽性能”由行業大百科提供）的lowE玻璃，故各朝向平均綜合遮陽系數可達0.198。

　　5.3 快速安裝、便捷維護

　　幕墻關鍵節點設計以工業化生產組裝為主，即先在工廠組裝好幾個小單元包括透明玻璃幕墻小單元、單榀層間造型豎向骨架、插接式光伏組件小單元、鋁板小單元。多個小單元設計不但提高了工地現場安裝效率，縮短工期，還對后期維護提供了很大便利。

　　更重要的是光伏組件采用插接式邊框安裝，易維護更換，縮短更換維護周期，不影響發電。另外，由于組件傾斜布置，可從室內進行清洗，因研發樓30%的通風面積，從開啟扇伸出工具進行幕墻清洗，對比一般幕墻使用吊籃清洗的做法，方便安全。

　　本工程建筑抗震（詞條“抗震”由行業大百科提供）設防類別為丙類建筑，抗震基本烈度為7度，設計基本地震加速度0.10g， 設計地震分組為第一組，建筑抗震設防烈度7度。按照《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010規定，本工程屬二類防雷建筑，防雷連接點采用直徑12mm的鍍鋅圓鋼連接龍骨與主體結構的防雷系統,使幕墻防雷系統達到要求。

　　5.4高性價比光伏組件

　　本案可操作性強，除了具有上述的高效率的安裝特點，還應具有適合市場推廣的性價比。本案中的光伏組件選用智能透明單玻插接式光伏組件，相較于普通光伏幕墻使用的光伏雙玻組件，本設計更具有經濟優勢。本方案所使用的智能透明單玻插接式光伏組件是176w，折算約127.5W/m2，從下表中可知，相比普通雙玻光伏組件，可節約1020元/m2。

　　6 光伏微電網

　　微型智能配電網絡，是由微能源、負荷、儲能、控制部件組成，簡稱微電網。

　　微能源：本案中的多功能光伏幕墻的光伏組件就是微電網里的主要微電源，另有三個旁路作為備用電源。當天氣晴朗的工況，微電源供電與負載匹配，能源得到有效利用;當輻照特別高的工況，電量存入蓄電池，避免浪費;當陰雨天等輻照條件不足的工況，切入市電旁路，以市電供應數據中心;當陰雨天且市政斷電的工況，立即切入蓄電池旁路，由蓄電池供電，待柴油發電機啟動并平穩工作后，切入第三個旁路由柴油發電機供電，保證了負載的無間斷供電。

　　負荷：本案中的負荷是作為辦公系統心臟的綠色數據中心。綠色數據中心是微電網的供電對象，具有耗電量穩定、持續、變化極小、必須無間斷供電等特點，正好符合微電網的供應特點。

　　儲能：本著最優化資源配置的原則，本案中的微電網蓄電池是根據有后備電源但后備電源無法極速啟動的特點進行配置，故不需要過多的蓄電池，這樣就很好的解決了微電網系統不可避免的儲能成本高、運維成本高的缺點，尤其適用于城市地區的辦公大樓。

　　控制部件：多旁路的智能切換、UPS功能搭載、多工況監控的微電網控制策略，完全滿足綠色數據中心的各項要求。

　　微電網保障電力穩定供應的前提下，儲能逆變器利用蓄電池及其他快速充放電系統或設備儲存部分光伏發電，減少輸送到電網上的電量，增加自發自用的比例，進一步降低建筑對電網電力負荷需求。

　　7 GREEN YES的多個光伏系統介紹

　　在“被動優先、主動優化”的前提下，GREEN YES身披太陽能外衣，建有5大光伏系統，包含了多功能光伏幕墻、整體升降垂直通風光伏采光頂、園林式光伏屋面遮陽、光伏雙玻百葉女兒墻、雙層點式光伏雨篷等構造形式，并創造性的運用微電網和局部直流微網為建筑的數據中心提供電源。

　　整體升降垂直通風光伏采光頂。裙樓頂部設置了可利用液壓裝置整體升起的光伏采光頂，與一樓的可開啟幕墻形成一個通風通道。此光伏系統裝機功率3.465kW，每年發電量2482kWh。

　　光伏雙玻百葉女兒墻。位于屋面女兒墻南立面，具有遮陽和降低屋面風速的作用，提高休息人員的舒適性。此光伏系統裝機功率8.66kW，每年發電量2857kWh。

　　園林式光伏屋面遮陽。屋面花園和遮陽光伏電站的雙屋面設計，可供員工休息，并為底下樓層遮陽保溫隔熱。此光伏系統裝機功率78.75kW，每年發電量59278kWh。

　　雙層點式光伏雨篷。位于大樓正門入口，具有遮陽、擋雨、采光的功能。發電一部分直接為大樓的電動汽車充電樁提供電源。此光伏系統裝機功率17.472kW，每年發電量14592kWh。

　　7 效益分析

　　多功能光伏幕墻選用168W單晶硅光伏構件共計739塊，總裝機容量124.15kW，年發電量126萬度，可省燃油32.8升或節省標準煤45.4千克，這也意味著少排放125.6千克的二氧化碳1.5千克的二氧化硫和.5千克氮氧化物。同時減少因火力發電產生的34.3千克粉塵，節約504.0升凈水。而發電、通風、遮陽一體化的綜合功能為系統的光伏發電效率提高3.71%，冬季提供新風量3895m3/h，系統周圍空氣溫度降低1~2℃。

　　8 結論

　　隨著技術的進步，太陽能發電技術的生產成本在下降，效率在提高，組件的回收利用等相應的產業也開始完備;隨著政策的推陳出新，尤其是分布式光伏政策頒布以后，太陽能發電技術在城市的利用有了更有利的政策環境和經濟扶持;隨著社會的發展，人們越來越認識到，在日漸嚴峻的化石能源形勢下，可再生能源低碳環保的特性，必將在人們生活中扮演著更重要的角色;太陽能光伏建筑一體化，已不再是應用太陽能發電的一種新概念，而是切切實實行之有效的節能方案。

　　本案中，除了對太陽能光伏建筑一體化設計進行了一次創新，探討了光伏組件在兼顧立面外觀效果和較佳接收輻射量斜面兩者之間的可行性。